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【专家视点】解读工业4.0核心信息物理融合系统CPS

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供稿:中国工控网 2016/6/30 10:07:17

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  德国人提出的工业4.0中,CPS居核心地位。它是赛博物理系统(Cyber-Physical System)的缩写。CPS是一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统,通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,通过人机交互接口实现和物理进程的交互,使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、协作的方式操控一个物理实体。因此,国内理在把它简单地译成“信息物理系统”是极不准确。本文将论述它内涵的沿革。

  需我们注意的是,CPS是智能制造系统的骨干与支撑,即是如此,智能的含义比CPS要丰富得多。智能是人类一种深刻的本质,而CPS则不过人的智能在制造领域中的实现载体,它的出现,是人类智能的革命与外化。

  诚如笔者参与撰写的《三体智能革命》所阐述的那样:智能本质是一切生命系统对自然规律的感应、认知与运用。人造系统是具有相互联接的元件和运作所组成的实现某种功能的事物的集合。元件由各种人造物理材料或天然材料制成,运作由人根据需求来设定。

  任何人造系统都是为了实现预先设定的某种功能而构建的,目的是服务于人,满足人的需求和意愿。遂人愿,知人意,是一个智能系统必须遵循和满足的另一个基本原则。

  而人造智能是人造系统所具有的一种模仿、拓展和超越人类智能的能力。如果人造系统能够像人一样具有一定的认知能力,即有感知、会分析、自决策、善动作,并且在分析与决策过程中善于运用知识,同时学习、积累乃至创造知识,就称其具有某种人造智能。本书定义的人造智能,包含了所有由人开发和建立的人造系统的智能,例如人工智能、认知计算、黑暗森林、互联网大脑等。

  某国内百科网站介绍:从感觉到记忆到思维这一过程,称为“智慧”,智慧的结果就产生了行为和语言,将行为和语言的表达过程称为“能力”,两者合称“智能”。而某国外百科网站则指出:智能一种非常普遍的心智能力,除其他事项外,涉及到推理、规划、解决问题、抽象思维、理解复杂的思想、快速学习和从经验中学习的认知能力。中外两个权威内容网站给出的结论非常类似。默认的事情是,它们所说的智能,都是指人的智能,而非人造系统的智能。人类在几十万年不断的劳动进化过程中,在对自然界持续的认知过程中,已经发展出了发达的大脑,具有了与生俱来的智能,处于了地球生物链的顶端。我们把人所具有的智能叫作人类智能。

  具有不同程度人造智能的系统都可以称之为智能系统。诸如智能制造、智能生产、智能设备、智能产品、智能材料、智能工艺、智能家居、智能硬件等“智能XX”,都属于智能系统中的一个子集。

  《三体智能革命》提出,一个开放的智能系统必备五个特征:状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。这可以看作是作者的二十字箴言。因此,一个完整的智能系统:始于感知,精于计算,巧于决策,勤于执行,善于学习。

  在论述CPS前,说了这么多“智能”的特征,似乎有些跑题。然而我们必须明白,智能才是人的本质力量,而CPS只不过是它的一种形式。智能才是本源,CPS则是它的最新实现形式。

  限于篇幅,本文未能对CPS展开深入全面的论述。如果想真正了解CPS的精义,阅读《三体智能革命》是一件绕不过去的事情。

   CPS的沿革

  在全球范围内,无论是德国工业4.0,还是美国工业互联网,以及“中国制造2025”等等提法很多;尽管各不相同,但是相同的提法是智能制造和CPS,我们就来分析解剖这两个名词。而谈到智能制造体系,CPS是一个始终无法回避的概念。现在国内把CPS译成“信息管理系统”,这种译法虽然简易,但并不确切,因其没有对Cyber进行认真的分析和正确的理解。

  1926 尼古拉�特斯拉在“远程自动化”中讲到:“当无线被完美应用时,我们的地球将会变成一个大脑,事实上就是通过仪器我们能实现一些惊人的事情就如同像现在我们使用电话一样,比如一个人可以将任何东西放在他的口袋里。”

  1948 诺伯特?维纳“控制论”中援引了希腊语单词“Kubernetes”,“Kubernetes”其原意是“万能的神”,因为希腊是航海大国,不可预测的海上风浪经常会引起翻船事故,为保佑船只和人的安全,古希腊人引用“万能的神”这个词作为舵手)。在此基础上创造了“Cybernetics”词,意思为控制。

  1961年,美国人查尔斯?德雷珀研制的“阿波罗制导计算机”是世界是第一个嵌入式系统。1967年,美国国防部预研局(DARPA)在连接几台不同的大型计算机,开发通讯协议时提出了“赛博空间”的概念(Cyperspace),它是国际互联网的前身。1988美国人马克?威瑟提出“无处不在的计算”。上世纪90年代初国际互联网的快速普及;到1999 年艾什顿?凯文提出“物联网”概念 。

  因此,上世纪九十年代后的很长一段时间内,Cyper又被称作3C(控制、通信、计算)。现在Cybe常作为前缀,代表与Internet或电脑相关的事物,即采用电子或计算机进行的控制。

  溯本求源,Cyber实质是一种实现控制的特殊结构,是藉由信息,来控制物质、能量和信息 。而“信息”只是被控制载体,并不是控制结构和控制机制。因此,把Cybery译成“信息”,显然是已经偏离它真正的指向。就像我们提起足球运动,不能把它简单地理解为那个黑白相间的球体(ball),而必须把它理解为基于一种特定规则基础上的球类运动。

  因此,笔者认为现代的Cyber应该有五个含义:控制、通讯、协同、众创、虚拟;而这五个含义中都包含了计算。全面而准确也理解这五个含义,对CPS才可以形成全面而深刻的认知,并在理解它的基础上实施智能制造,才不会出现偏差。

  国外对CPS的理解

  由于太空探索经常需要派无人飞行器执行各种危险的太空任务,因此NASA在1992年率先提出并定义了CPS(Cyber–Physical Systems)的概念。其后这个概念因为一个危机事件而被美国政府高度重视。

  1993年,数百名美国特种部队在索马里首都摩加迪沙的军事行动中被数千名索马里民兵围攻,结果造成19名美军死亡,73人受伤,事后索马里民兵将美军士兵尸体吊在桥上向全世界展示。该事件极大地刺激了美国民众和美国政府。

  由于CPS技术可以让士兵在安全的军事基地中远程控制各种武器装备执行危险的作战任务,从而大大降低部队的伤亡,因此很快引起美国国防部(DoD)的重视。2006年美国国家自然科学基金会(NSF-The US National Science Foundation)的海伦、吉尔把CPS(赛博物理系统)定义为:“赛博物理系统是在物理、生物和工程系统中,其操作是相互协调的、互相监控的和由计算核心控制着每一个联网的组件,计算被深深嵌入每一个物理成分,甚至可能进入材料,这个计算的核心是一个嵌入式系统,通常需要实时响应,并且一般是分布的。”

  在美国国防部的推动下,美国将CPS技术从太空探索引入到军事领域,其无人机作战系统能够在军事基地控制数千公里外的无人机,对目标进行侦察、打击,很大程度上得益于美国无人机系统利用CPS技术随时获取了所需要的地空信息,在军事基地的控制端就可以对无人机侦察、打击所需要的各种要素进行评估,并进行了数字化的展示,这就是CPS在军事领域的具体应用成果。

  2005年5月,美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力,并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后,基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。

  在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将赛博物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)列为重要的研究项目。2006年美国国家自然科学基金会(NSF)将CPS技术列为其重要研究项目开展研究。

  到了2007年7月,美国总统科学技术顾问委员会(PCAST)在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键的信息技术,其中CPS位列首位,其余分别是软件、数据、数据存储与数据流、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会科学。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术(ARTMEIS)上投入54亿欧元(逾70亿美元),以期在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

  应用的重点领域

  从上面的CPS历史回顾我们可以看出,CPS是因为控制而兴起,由于计算而发展壮大,借助互联网而普及应用。飞机,特别是无人机(很多场合叫做空中机器人),就是CPS应用的重点领域之一。

  无人飞机具有非常完整、强大的基于计算机的控制系统;是一个具有高度智能的产品。飞机上安装了大量计算机之后,每台计算机各司其职,随时处理大量的内部和外部信息,对外部信息如:机场塔台指挥、地面风速、航线、导航、气像、高度、空速、到达目的地的时间,内部信息如:飞机质量质心变化、飞机的机翼机身温度和积冰、各个系统工作情况、发动机燃油消耗、温度火灾巡检报警等作实时监测;这些都是状态感知,当把数以千计的状态数据采集送到计算机后,可以按照设定好的算法进行实时的综合分析计算,给出最优的飞行数据(这是机器自主决策),通过赛博系统反馈给飞机的各个飞控设备(这是机器精准执行),控制飞机的空中姿态始终处于最好的状态;与此同时,综合后的信息发送给地面的飞行控制人员,在飞行控制人员面前的大屏幕液晶显示器上展现,特殊情况或者紧急情况直接由飞行控制人员直接介入,由人工直接决策。

  这样,以前无人机飞行全部靠地面飞行控制人员完成的工作,现在已经基本上靠计算机完成了,而且这个过程不断演变,人的工作越来越少,越来越轻松。在飞机上强大的计算机的支持下,飞机达到了高度智能的状态,计算机可以瞬间完成飞行员无法在短时间内完成的计算工作,让飞机更加安全可靠。

  回到我们智能制造系统中来,CPS内容博大精深,它大到包括整个工业体系,小到一个简单的PLC控制器,这些是一切智能系统的核心;不能正确理解它,,就难于理解智能制造。因此,在我国推进智能制造的进程中,一定要重视CPS的核心作用。同时也要时刻认识到,根据目前人工智能的进展,技术非常重要,但是人得作用是整个智能制造的最为重要的因素,只有把人整体融入到赛博物理系统中并和赛博物理系统有机结合在一起,才能提升我国制造业的整体发展水平。 

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